(57)【要約】  本発明は、試料（１０４）の過渡磁化を生成および検出する装置に関する。この装置は、試料位置において予め規定された方向および強度で静磁場（１０１）を供給する手段（１０２）と、試料位置に過渡磁場を供給する送信装置と、試料位置における試料（１０４）の過渡磁化を検出する受信装置とを備えている。この場合、本発明によるＬＣ発振器（１０３）は、送信装置も受信装置も成している。ＬＣ発振器（１０３）の発振周波数は、ＬＣ発振器（１０３）の誘導素子の値に依存している。ＬＣ発振器（１０３）の制御手段（１０６）が接続されており、その際、ＬＣ発振器（１０３）および制御手段は、試料磁化を平衡状態から偏位可能な過渡磁化を生成する、という要求を満たすものであり、この場合、過渡磁化の期間をサブナノ秒領域に制限可能である。試料位置は、ＬＣ発振器（１０３）の近距離場にある。出力電圧を処理するため、ＬＣ発振器（１０３）に、変調手段（１１１，１１３）と、アナログ／ディジタル変換器（１１２，１１４）と、ディジタルデータ処理手段（１０６）とが、予め規定された順序で後置接続されている。ディジタルデータ処理手段（１０６）に、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに試料磁化のスペクトル成分を求める手段が用意されている。さらにスペクトル成分を出力する手段も補われて、この装置が完成する。
2019502105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料（１０４）の過渡磁化を生成および検出する装置であって、
前記装置は少なくとも、試料位置に予め規定された方向および強度の静磁場（１０１，４０５）を供給する手段（１０２）と、前記試料位置に過渡磁場を供給する送信装置と、前記試料位置において前記試料（１０４）の過渡磁化を検出する受信装置と、を有しており、
ＬＣ発振器（１０３，６０１）が、前記送信装置も前記受信装置も形成しており、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の発振周波数は、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の誘導素子の値に依存しており、
前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の制御手段（１０６）が接続されており、ＬＣ発振器（１０３，６０１）と制御手段とにより過渡磁場が生成され、前記過渡磁場は、前記試料の磁化を平衡状態から偏位させることができ、前記過渡磁場の期間をサブナノ秒領域に制限可能であり、前記試料位置は、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の近距離場にあり、
出力電圧を処理するため、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）に少なくとも、変調手段（１１１，１１３）、アナログ／ディジタル変換器（１１２，１１４）、およびディジタルデータ処理手段（１０６）が、予め規定された順序で後置接続されており、
前記ディジタルデータ処理手段（１０６）内に、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに前記試料の磁化のスペクトル成分を求める手段が用意されており、さらに、
前記スペクトル成分を出力する手段が設けられている、
装置。
【請求項２】
少なくとも１つの前記変調手段（１１１，１１３）は、周波数復調器であり、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに前記試料の磁化のスペクトル成分を求める前記手段は、項
【数１】
2019502105.tif 000055
を含み、ただしＶｓ＝試料体積、
【数２】
2019502105.tif 000056
＝励起磁場、
【数３】
2019502105.tif 000057
＝前記体積に関する積分のための原点からの距離ベクトル、
【数４】
2019502105.tif 000058
＝前記試料の磁化、ｉ（ｔ）＝コイルを介した電圧損失に相応する電流の流れである、
請求項１記載の装置。
【請求項３】
少なくとも１つの前記変調手段（１１１，１１３）は、振幅復調器であり、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに前記試料の磁化のスペクトル成分を求める前記手段は、項
【数５】
2019502105.tif 000059
を含み、ただしＲｅｆｆ＝前記コイルの実効抵抗、Ｒ０＝コイルのオーム抵抗、Ｒｓａｍｐｌｅ，ｔｏｔ＝前記試料により誘導された前記コイルの抵抗である、
請求項１記載の装置。
【請求項４】
変調手段（１１１，１１３）は、周波数復調器と振幅復調器とを含み、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに前記試料の磁化のスペクトル成分を求める前記手段は、項
【数６】
2019502105.tif 000060
を含む、
請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の前記制御手段は、データ処理装置（１０６）であり、前記データ処理装置（１０６）は、第１および第２の経時依存性の波形（１０８，１０９）を生成し、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）にディジタル／アナログ変換器（１０７，１１０）が前置接続されている、
請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記第２の経時依存性の波形のための前記ディジタル／アナログ変換器（１０７，１１０）は、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の電流源に組み込まれている、
請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）は、ＬＣ−ＶＣＯ（１４０１）である、
請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
前記ＬＣ−ＶＣＯ（１４０１）の回路装置は、少なくとも、ＬＣ振動回路を形成する差動キャパシタンスダイオード（２０２）および差動インダクタンス（２０４）と、２つの交差接続されたトランジスタ（２０１）と、制御電圧のための入力端（２０３）と、給電電圧のための第２の入力端（２０７）と、アースと、出力電圧を取り出し可能な２つのノード（２０５，２０６）と、を有する、
請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記ＬＣ−ＶＣＯは、電圧制御型電流源（７０８）によって拡張されている、
請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記電圧制御型電流源は、ディジタル電流制御装置（８０８）として構成されている、
請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記ＬＣ−ＶＣＯ（１４０１）は、２つの基準発振器（１４０５，１４０６）を備えた位相制御回路内に組み込まれている、
請求項７から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の出力電圧を処理する直交チャネル（６０２，６０３）を備えたダウンコンバージョンミキサが、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）に後置接続されている、
請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
試料の過渡磁化を生成および検出する方法であって、前記方法は少なくとも以下のステップを有する、すなわち、
ａ．試料位置に試料を配置するステップと、
ｂ．前記試料位置に予め規定された方向および強度の静磁場を供給するステップと、
ｃ．ＬＣ発振器により過渡磁場を生成するステップと、ただし前記ＬＣ発振器の発振周波数は、前記ＬＣ発振器の誘導素子の値に依存し、ここで、
前記試料位置は、前記ＬＣ発振器の近距離場にあり、
前記過渡磁場は、前記試料の磁化を平衡状態から偏位させる、という要求を満たすものであり、
前記過渡磁場の期間は、サブナノ秒領域にまで制限可能であり、
ｄ．前記過渡磁場の前、前記過渡磁場の間、および前記過渡磁場に続いて、前記ＬＣ発振器の出力電圧を取り出すステップと、
ｅ．前記出力電圧の周波数および振幅の経時依存性の変化を復調し、前記出力電圧を予め規定された順序でディジタル化して、ディジタルデータ処理手段に伝達するステップと、
ｆ．検出された周波数または振幅を、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルに入力するステップと、
ここで前記物理的モデルへの入力に応じて、
発振器出力電圧の周波数から、
【数７】
2019502105.tif 000061
の前記試料のスペクトル成分を求め、ただしＣ＝前記コイルのキャパシタンス、Ｌ０＝前記コイルの試料に依存しないインダクタンス、ΔＬｓａｍｐｌｅ＝前記コイルのインダクタンスの試料に依存する変化であり、
または前記物理的モデルへの入力に応じて、
前記発振器出力電圧の振幅Ａｏｓｃ
Ａｏｓｃ＝Ｒ０・Ｒｓａｍｐｌｅ，ｔｏｔ
から試料のスペクトル成分を求め、ただしＲ０＝コイル抵抗、Ｒｓａｍｐｌｅ，ｔｏｔ＝前記試料により誘導された前記コイルの抵抗であり、さらに、
ｇ．前記スペクトル成分を後続処理のために出力するステップと、
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の過渡磁化を生成および検出する装置および方法に関する。本発明はたとえば、電子スピン共鳴分光法および核スピン共鳴分光法において適用され、これらは特に実験物理学、医療技術、材料科学、または地学において使用される。
【背景技術】
【０００２】
電子スピン共鳴分光法（ＥＳＲ electron spin resonance spectroscopy、 ＥＰＲ electron paramagnetic resonanceとも呼ばれる）および核スピン共鳴分光法（ＮＭＲ nuclear magnetic resonance spectroscopy）の場合、一般にＢ０と呼ばれる静的に均質な、静的に非均質な、または動的な（パルス化されて非均質な）磁場と、一般にＢ１と呼ばれる付加的な高周波交番電磁場（ＥＳＲではたいてい１〜２６３ＧＨｚのマイクロ波領域）に、試料が晒される。
【０００３】
適切な周波数の交番磁場（Ｂ１）の入力結合および偏向によって、試料の原子核配置および／または電子配置の離散的なスピン状態のエネルギー準位間で遷移が誘導され、他方、この遷移によって交番磁場中に吸収事象が引き起こされ、それらの事象が検出される。検出された吸収事象から、試料の様々な物質分析情報が求められる。この場合、直線偏向された磁場Ｂ１は通常、Ｂ０に対し垂直に配向されている。
【０００４】
したがって、ＥＳＲ実験またはＮＭＲ実験を通して特質決定を行える試料は、磁化可能なすべての試料であり、すなわち常磁性の試料（不対電子、ＥＳＲ）または奇数個の核子に基づく「正味の核スピン」を伴う原子核を有する試料（ＮＭＲ）である。また、試料は、液体でも固体でも気体でもよい。以下では、「試料」という用語は常に、上述のように磁化可能な試料という意味で用いられる。
【０００５】
スピン状態（共鳴エネルギー）のエネルギー差およびそれらに相応するスペクトル線すなわちスペクトル成分を一義的に特質決定するために、選択的に磁気回転比γを、またはランデ因子とも称するいわゆるｇ因子を、ΔＥ＝ｈ・ω＝γ・Ｂ０・ｈ＝ｇ・μＢ・Ｂ０（ｈ＝プランク定数、μＢ＝ボーア磁子、ω＝磁場の歳差運動の角周波数）に従い、用いることができる。この場合、ｇ因子は、必ずしも等方性ではなく、場合によってはテンソルとして扱う必要がある。その際、スペクトル成分は、ｇ因子に依存するだけでなく、たとえば隣り合う核スピンおよび電子スピンとの結合にも依存する。さらにこの場合、たとえば試料内部の微視的な磁気相互作用によって、スピン状態のエネルギー差がさらに変化する可能性もあり、その場合にはこれを、いわゆる完全なハミルトン相互作用演算子によって記述することができる。以下では、このような複合的な関係を、観察すべきスピン状態の共鳴事象ケースを用いて単純に書き換え、個々の相互作用についてはこれ以上は説明しない。共鳴事象ケースでは、周波数はいわゆるラーモア周波数に相応する。
【０００６】
Ｂ１磁場による励起の共鳴事象ケースでは、いわゆるラビ振動が発生する。この振動は、外部の周期的な力（たとえば振動磁場）と相互作用する量子力学的な二準位系または多準位系における振動である。励起周波数が遷移の共鳴周波数付近にあると、ラビ周波数とも呼ばれる周波数で状態の占有要素が発振する。
【０００７】
ＥＳＲ実験もＮＭＲ実験も通常は共鳴周波数で、もしくはできるかぎりその近くで実施され、別途記載がないかぎり、以下でもこのことを前提とする。
【０００８】
いわゆる「連続波」（英語：continuous wave）ＥＳＲ実験またはＮＭＲ実験の場合、交番磁場（Ｂ１）の連続的な入射と、場合によっては磁場（Ｂ０）の強度の同時の変化とによって、スピンアンサンブルの種々のエネルギー準位間の許可されたまたは弱く禁止された遷移に相応するエネルギーが求められる（共鳴事象ケース）。
【０００９】
いわゆるパルスＥＳＲ実験またはパルスＮＭＲ実験の場合、強い電磁気パルス（Ｂ１）（過渡磁場）によって、試料の巨視的磁化の配向の歳差運動が、試料における有効な磁場の方向を中心に励起され、それらの運動の緩和プロセスおよび歳差周波数が、静磁場において、または（経時可変性または局所可変性の）動磁場Ｂ０においても、検出される。緩和プロセスは、過渡（経時可変性）磁化とも称され、もしくはいわゆる過渡信号が検出される。過渡磁化はその持続時間に関して、スピン−格子緩和時間（Ｔ１）とスピン−スピン緩和時間（Ｔ２）とによって区切られている。ＥＳＲ実験の場合、これらの時間はサブナノ秒から秒までの領域にあるが、一般的な測定窓は１ｎｓ〜１ｍｓである。
【００１０】
励起中の緩和プロセスを回避することによって、実験のモデリングが著しく簡単になるが、そのためには、過渡磁場（Ｂ１（ｔ，ω））が生じる期間を、緩和時間よりも短くしなければならない。ＥＳＲのケースでは、試料の緩和時間はサブナノ秒領域にある可能性があるので、特定の試料のためにはサブナノ秒領域（＜１ｎｓ）の期間を有する過渡磁場が必要とされる。この場合、過渡磁化の期間は、スピン−格子緩和時間（Ｔ１）とスピン−スピン緩和時間（Ｔ２）との関係を介して、試料に依存する。
【００１１】
パルスＥＳＲ実験またはパルスＮＭＲ実験の場合、磁場Ｂ０を、たとえば磁気共鳴に基づく画像生成方法で用いられるように、局所線形性の可変の磁場（勾配磁場）とすることができる。
【００１２】
以下では、物理的な基礎についてさらに詳しく言及する。古典的な機械工学によれば、磁気双極子モーメント
【数１】
2019502105.tif 000003
は、磁場
【数２】
2019502105.tif 000004
において、
【数３】
2019502105.tif 000005
に従い回転モーメント
【数４】
2019502105.tif 000006
を受ける。したがって基本的に、各々の巨視的磁化
【数５】
2019502105.tif 000007
には、印加される外部磁場の形態で作用を与えることができる。その理由は、この磁化は、複数の微視的磁気モーメントの組み合わせられた作用の結果として生じるからである。ＥＳＲ実験またはＮＭＲ実験は、このことで知られている例であり、それらの実験によれば外部磁場が印加され、電子もしくは原子核のスピンおよびそれらの相互作用と結合された試料磁化
【数６】
2019502105.tif 000008
が求められる。量子力学的考察によれば、粒子のスピンは磁気双極子モーメント
【数７】
2019502105.tif 000009
に結合されているだけでなく、軌道角運動量
【数８】
2019502105.tif 000010
にも結合されており、これは
【数９】
2019502105.tif 000011
に従い、試料の物質に固有の磁気回転比γと関係づけられている。最も簡単に考察できるスピン1/2粒子のケースにおいて、各スピン間の相互作用がないと仮定すれば、印加された磁場
【数１０】
2019502105.tif 000012
内においてそれらのスピンに基づく巨視的磁化を、簡単化されたブロッホ方程式すなわち緩和項のないブロッホ関数により、
【数１１】
2019502105.tif 000013
に従い記述することができる。
【００１３】
（０．１）の結果、磁場Ｂ０と所定の角度を成すスピンに基づく磁化Ｍｓは、いわゆるラーモア周波数ωＬ＝−γ・Ｂ０に相応する角速度で、Ｂ０磁場の軸を中心に歳差運動を行う。磁化Ｍｓの偏位をたとえば、励起された経時可変性の磁場Ｂ１によって生じさせることができ、この磁場Ｂ１は、Ｂ０に対し垂直に配向され周波数ωＬを有しており、この偏位の結果、ＭｓはＢ１磁場の軸を中心に回転するようになる。
【数１２】
2019502105.tif 000014
が
【数１３】
2019502105.tif 000015
に対し平行には配向されていないこのケースは、不平衡状態に相応するので、緩和メカニズムによって、各々の横磁化Ｍｓ┴がゼロまで減衰し、縦磁化Ｍｓ||がＢ０の方向で再生成されるようになり、このことは平衡状態Ｍｓ０に相応する。緩和時間を（０．１）によるブロッホ方程式に代入して、
【数１４】
2019502105.tif 000016
により、この状況を考慮することができる。
【００１４】
M. Prisner等による論文１（Pulsed EPR Spectroscopy: Biological Applications, Annual Review of Physical Chemistry 52, 2001, P. 279-313）には、生物学的試料におけるパルスＥＳＲ実験に関する概要が示されており、さらにR. BennおよびH. Guentherによる論文２（Modern Pulse Methods in High-Resolution NMR Spectroscopy, Angewandte Chemie International Edition, Vol. 22, 1983, P. 350 - 380）には、パルスＮＭＲ実験に関して示されている。
【００１５】
独国特許発明第４２２３９０９号明細書（DE 42 23 909 C2）には、医療技術において使用するための磁気共鳴測定装置が開示されており、この場合、磁場Ｂ０を生成するためにソレノイドコイルが用いられる。送信装置または受信装置として使用される装置は、スプリットリング共振器によって構成されている。さらに、共振器信号を検出する結合装置が設けられており、これは結合ループによって実現されている。さらに別の回路ユニットを補うことで、この装置が完全なものとされている。
【００１６】
独国特許出願公開第４４１２０６４号明細書（DE 44 12 064 A1）には、電子スピン共鳴パルススペクトロメータと呼ばれる装置が開示されている。この装置は、サンプリング信号（測定信号）Ｂ１を生成する第１のマイクロ波発振器と、これよりも低いマイクロ波周波数の補助信号を生成する第２のマイクロ波発振器とを有している。これに加えて、電子スピン共鳴パルス実験に適したパルス長の混合信号を生成するための第１のミキサおよびパルス整形チャネルと、検出用の共振器とが設けられている。
【００１７】
米国特許出願公開第２０１４／０２１０４７３号明細書（US 2014/0210473 A1）には、電子スピン共鳴スペクトロメータが開示されており、これは送信装置および受信装置としてプローブチップを装備している。この場合、送信装置のための励起磁場（Ｂ１）は送信装置の外部で生成され、適切な手段を用いてプローブチップへ導かれる。このスペクトロメータをパルス化モードで駆動することもでき、この場合、パルスおよび信号の捕捉は、所定の持続時間のものであるが、これによっても試料の過渡磁化の時間分解された捕捉は不可能である。
【００１８】
ＥＳＲ実験またはＮＭＲ実験に対する挑戦は、集積回路技術を用いていわゆる「シングルチップ」（ワンチッププロセッサ）としての実装を実現したことであり、これによれば実験の適用が、従来の実装に比べユーザフレンドリーになっており、かつ微小化されて低コストなものとされている。
【００１９】
T. YalcinおよびG. Boeroによる論文３（Single-chip detector for electron spin resonance spectroscopy, Review of Scientific Instruments 79, 2008, P. 094105-1 - 6）には、連続波モードで動作する「シングルチップ」ＥＳＲスペクトロメータが開示されている。いわゆるＣＭＯＳ（complementary metal-oxide-semiconductor「相補型金属酸化膜半導体」）技術で実装されている検出器の基本構成要素は、ＶＣＯ（英語：voltage-controlled oscillator）とも呼ばれる２つの電圧制御型ＬＣ発振器、１つのミキサ、１つのフィルタ増幅器、２つの分周器、および信号コンディショナ、ならびに検出器として１つの位相制御ループ、である。これらに加えて、磁場Ｂ０を生成するための手段およびスペクトロメータを結線するための手段を用意しなければならない。
【００２０】
国際公開第２００５／０７３６９５号（WO 2005/073695 A1）に開示されているオンチップデバイスは、予め規定された方向の磁場を生成する手段と、特に導体路を含む送信装置と、磁気抵抗を捕捉するセンサを含む受信装置とを備えている。
【００２１】
米国特許出願公開第２０１４／００９１８０２号明細書（US 2014/0091802 A1）には、シングルチップＥＳＲスペクトロメータが開示されており、これはパルス化して連続波モードで駆動することができ、特にＣＭＯＳ技術で実装することができる。さらにこのスペクトロメータは、予め規定された方向の磁場を生成する手段を備え、さらにＬＣ−ＶＣＯと増幅器とから成りパルス発生器が結合された送信装置を備えており、この送信装置は共振器を給電する。この場合、同じ共振器または別の共振器が受信装置として結線されている。受信装置はさらに、増幅器とミキサとバイアス増幅器とによって構成されている。
【００２２】
米国特許出願公開第２０１４／００９７８４２号明細書（US 2014/0097842 A1）には、試料の磁気共鳴または過渡磁化を特定する方法が開示されており、この方法は米国特許出願公開第２０１４／００９１８０２号明細書（US 2014/0091802 A1）による装置によって実施される。この方法は以下のステップを含む。すなわち、
・集積された発振器回路装置によって、発振サンプリング信号を生成するステップ、
・集積された増幅器によって、発振サンプリング信号を増幅するステップ、
・集積された受信機−増幅器回路によって、試料のＥＳＲ信号を受信するステップ、
・集積された受信機−増幅器回路によって、試料のＥＳＲ信号を増幅するステップ、
・ベースバンド信号を取得するために、増幅されたＥＳＲ信号を集積されたミキサ回路によってダウンコンバートするステップ、および
・集積されたベースバンド増幅器回路によって、ベースバンド信号を増幅するステップ、ただしこの場合、
・すべての回路ユニットは１つのチップ上に集積されている。
【００２３】
従来技術から公知の共振器ベースのＥＳＲスペクトロメータおよびＮＭＲスペクトロメータの欠点は、それらの場合、低ノイズの前置増幅器を保護するためにその増幅器を（過渡磁場の）パルス中、たとえば時間的に区切られた保護パルスを介するなどして、共振器から分離する（見えなくする）必要があり、その結果として磁化の検出はその（保護）パルスの後にようやく可能になる、ということである。このことは、電磁エネルギーからＢ磁場への共振器における変換のために、共振器へ送られる大電力（＞１００Ｗ、もしくはマイクロ共振器であればこれよりも小さい）が必要とされる、ということによるものである。このように大きな電力は、分離が行われていないとしたならば、前置増幅器もしくは読み取り電子装置を飽和させてしまうか、もしくはそれどころか損傷させてしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の課題は、試料の過渡磁化を生成および検出する装置および方法において、過渡磁化を時間分解して捕捉できるようにし、従来技術と比べて装置を簡単に構築し、エネルギー効率よく動作させ、かつ過渡励起中に過渡磁化を検出できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
この課題は、請求項１および請求項１３によって解決される。従属請求項には有利な実施形態が記載されている。
【００２６】
本発明による装置において予め規定された方向の磁場を生成する手段は、たとえば超電導磁石または任意の実装形態の電磁石または永久磁石によって実現されている。生成される磁場は静的であり、磁化に適した試料の磁化のために用いられる磁場Ｂ０に相応する。励起を行うＢ１磁場の周波数が共鳴条件に従い選択されるかぎり、この磁場を任意の強度のものとすることができる。
【００２７】
試料として、固体、気体および液体の試料が考慮の対象となる。液体の試料をたとえば、プレーナ型の実装形態において（たとえばＣＭＯＳ技術で）ガラス毛管内に入れることができる。Ｂ１の周波数がいわゆるＸ線帯域（約１０ＧＨｚ）までの比較的低い周波数であれば、ＬＣ発振器のコイルを、液体試料を含む毛管を内部に収容可能なボリュームコイルとして実現してもよいし、あるいはそうではなく、試料を検出器内に搬送する（マイクロ）流体システムと組み合わせてもよい。
【００２８】
試料位置は、試料が配置される装置内にある場所であり、この場所には磁場（Ｂ０）も印加されるし、必要に応じて過渡磁場（Ｂ１）も印加される。この場所に、試料を固定および保管する手段を設けることができる。
【００２９】
送信装置はＬＣ発振器から成り、これは同時に受信装置としても用いられ、このＬＣ発振器の発振周波数は、ＬＣ発振器の誘導素子の値に依存する。この発振器をたとえば、ハートレー発振器、コルピッツ発振器、またはアームストロング発振器、またはＬＣタンク発振器とすることができる。これらのＬＣ発振器を、固定動作周波数のＬＣ発振器として実装してもよいし、周波数帯域全体にわたって調整可能な（電気的または機械的な）インダクタンスおよび／またはキャパシタンスを用いて設計してもよい。
【００３０】
ＬＣ発振器の個々の回路素子を、集積回路として実装してもよいし、（たとえばＣＭＯＳ技術などで）微小化して実装してもよく、ただしこのような実装は、装置の機能のためのいかなる前提条件でもない。
【００３１】
この場合、ＬＣ発振器は、Ｂ０に対し垂直に配向された付加的な過渡磁場を生成するという点で、送信装置として用いられる。ただしこの場合、ＬＣ発振器の配置は本発明によれば、試料もしくは試料位置がＬＣ発振器の近距離場に存在するように、選定されている。
【００３２】
ここで近距離場とは、本発明による装置および本発明による方法に関しては、ＬＣ発振器の以下のような場として理解されたい。すなわちこの場においては、Ｂ１磁場の回転が、また、ｄｉｖ Ｂ＝０であるがゆえに、Ｂ１磁場全体も、
【数１５】
2019502105.tif 000017
（μ０＝磁場定数）によって、誘導素子における電流密度Ｊを介して決定的に定められている。これに対し、遠距離場では波の伝播が生じ、Ｂ１磁場およびＥ１電場が、
【数１６】
2019502105.tif 000018
ただしε０＝電場定数、ｔ＝時間、によって交互に生成される。したがって近距離場について、Ｂ１磁場はＥ１電場とは十分に独立して生成可能である、ということが成り立つ。なぜならば、近距離場の領域内にはまだ波が存在しないからである。このような状況ゆえに、Ｅ１電場を簡単に最適化可能であり、もしくはこれを小さく抑えることができる。僅かなＥ１電場によって、試料における電気的な損失ならびに試料の加熱による損失が最小化され、このことは本発明による装置の利点である。
【００３３】
ＬＣ発振器における過渡磁場Ｂ１（ｔ，ω）（すなわち時間的に区切られた可変の周波数を有する磁場）を、電圧制御型キャパシタンス（バラクタ）への電圧の適切な供給によって、生成することができる。この場合、変化の形状は限定されておらず、たとえばステップ状に、鋸歯状に、またはピークとして、形成することができる。
【００３４】
過渡磁場Ｂ１（ｔ，ω）を、時間および周波数の関数として、パルス中の緩和作用を無視できるほどに試料の緩和時間よりも著しく短い期間に、短縮することができる。ＥＳＲの場合、試料の緩和時間はサブナノ秒領域にある可能性があるので、特定の試料のためにはサブナノ秒領域（＜１ｎｓ）の期間を有する過渡磁場が必要とされる。
【００３５】
しかも本発明による解決手段によれば有利には、過渡磁場の印加中に試料の過渡磁化を検出することができる。なぜならば、従来技術から公知の共振器ベースのＥＳＲ検出器の場合とは異なり、検出電子装置を強い電磁励起パルスから保護する必要がないからである。このことは、ＬＣ発振器を送信装置および受信装置として使用すれば、試料において磁化を励起するためのＢ１磁場が、発振器自体においてコイル内の電流により生成される、ということに基づくものである。この場合、電流がＢ１磁場へ著しく良好に変換される（ビオ・サバールの法則、近距離場）ことから、１ｍＴよりも大きいＢ１磁場に対して、動作中に発生する電流（これはコイルのサイズに応じて１桁から３桁までのｍＡ領域付近にあり、特に１０ｍＡ〜２００ｍＡ）であれば十分に間に合い、これによって他方では、必要とされる短いパルス（１０ｍＴはほぼ１ｎｓのパルス長に相応）が可能となる。この場合、発振器は、通常の磁場強度を生成するための動作中、損傷されず、または非可逆的に変化しない。また、測定の時間分解能および感度が改善される。このことは主として、測定を早めに（まだ励起中／パルスの間に）、つまりは大きな緩和作用が発生する前に開始することができる、ということによって生じる。
【００３６】
過渡磁場の期間、個数および形状は、試料の要求および試料におけるスピンアンサンブルの望ましい操作に従って選定される。
【００３７】
最も簡単なケースであれば、試料における磁化がθ＝９０°だけ傾斜させられるように（θ＝γ・Ｂ１・τｐｕｌｓ、τｐｕｌｓ＝共鳴Ｂ１磁場の印加期間、γ＝磁気回転比）、パルス長を試料に依存させて選定することができる。なぜならば、そのようにすれば横磁化が最大になるからである。これは、やはり本発明によるＬＣ発振器によって検出される。ただし一般的には、選択された個々の実験のために有利であるならば、他のいずれの回転角であっても調整もしくは使用することができる。
【００３８】
たとえば、サブナノ秒領域のτｐｕｌｓを有する９０°パルス長（θ＝９０°）を生成するために、本発明による装置によってＢ１磁場の強度を十分な大きさにすることができるので、これによって励起中に検出が可能であることと合わせて、短いＴ２緩和時間を有する試料について、いわゆるラビ振動もじかに測定することができる。この場合、発振器給電電圧もしくは発振器零入力電流の適切な選定によって、ならびに周波数を決定するキャパシタンスに対する比としてコイルインダクタンスを適切に選定することによって、Ｂ１磁場の強度が調整される。
【００３９】
電圧制御型のインダクタンスまたはキャパシタンスに供給される電圧は、経時依存性の波形の形態にある。経時依存性の波形は、区切られた期間の電圧強度変化を含む、という点で特徴づけられている。電圧における変化により、周波数の変化を伴って電圧制御型ＬＣ発振器において過渡磁場Ｂ１（ｔ，ω）が引き起こされる。この場合、電圧の上昇もしくは低下により、バラクタの実装に応じて周波数低下または周波数上昇を生じさせることができる。ＬＣ発振器を共鳴周波数よりも低い発振周波数で動作させることにより得られる利点は、ＬＣ発振器を全体的に比較的低い発振周波数のために設計できることである。ＬＣ発振器を共鳴周波数よりも高い発振周波数で動作させることにより得られる利点は、信号の復調が簡単になることである。この場合も変化の形状は限定されておらず、既述のとおり、たとえばステップ状に、鋸歯状に、またはピークとして、形成することができる。周波数の選択は、試料の共鳴周波数において必要とされる電力密度に合わせられる。経時依存性の波形の期間、個数および形状は、試料によって予め規定される過渡磁場に対する要求に応じて選定される（上述の記載参照）。
【００４０】
しかも、特定の位相を有する過渡磁場を生成するために、１つの実施例に相応するように、基準周波数および位相を切替可能な位相制御ループにＬＣ共振器を組み込んで実現することができる。
【００４１】
ＬＣ発振器がスイッチオンされるとただちに、ＬＣ発振器のコイルを通って電流が流れるので、ただちにＢ１磁場も生成される。ただし、Ｂ１磁場の振幅は、望ましい値に到達するまでに所定の時間を要する。したがって有利であるのは、試料において励起を引き起こさないように共鳴周波数から十分に離れて隔たった第１の周波数から、第２の周波数（共鳴周波数）へ、ＬＣ発振器を切り替えることであり、その理由は、このようにすれば過渡振動プロセスが、無視できるほどに極端に短い振幅変化に低減されるからである。過渡振動プロセスを回避するか、もしくは著しく低減する目的で、その際に一般的にはＬＣ発振器を、試料磁化の励起を生じさせるべきではない時間については、第１の周波数で一定に駆動するのが望ましい。
【００４２】
第１の経時依存性の波形は、制御電圧としてＬＣ発振器へ供給される。
【００４３】
ＬＣ発振器の過渡磁化の包絡線を調整するという要求を満たす、第２のやはり経時依存性の波形が、場合によってはさらに別の回路素子を用いることで、ＬＣ発振器の給電電圧に供給される。
【００４４】
このようにしてＬＣ発振器から生成される過渡磁場Ｂ１（ｔ，ω）は、周波数および包絡線に関して少なくとも、Ｂ０磁場における試料磁化をその平衡状態から偏位させる、という要求を満たすものである。このことはたとえば、ラビ振動、スピンエコーを検出する実験に対して、または簡単なＦＩＤ（free induction decay）測定において、当てはまり、それらに対して個々のパルスは要求を満たすものである。
【００４５】
ＬＣ発振器の制御手段として、ＬＣ発振器に供給される第１および第２の経時依存性の波形を生成する手段が用いられる。これらの手段はたとえば、パーソナルコンピュータによって制御されるディジタル／アナログ変換器、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array プログラマブルロジックゲートアレイ）、マイクロコントローラ、「任意波形」ジェネレータ、または簡単なランプ関数発生器またはパルス関数発生器である。
【００４６】
試料に作用する過渡磁場Ｂ１（ｔ，ω）と同時に、および／またはこの磁場に時間的に続いて、試料磁化の経時依存性の変化（過渡状態）が検出される。試料磁化の変化によって、ＬＣ発振器の誘導素子における変化が引き起こされ、これはＬＣ発振器の発振周波数および／または発振振幅の変化として、ＬＣ発振器の出力電圧において検出することができる。この目的で、ＬＣ発振器の出力電圧が取り出され、場合によっては内部の電圧ノードにおいて直接、発振器の振幅復調信号が取り出される。
【００４７】
発振周波数および／または発振振幅における変化は、ＬＣ発振器に後置接続された復調手段によって捕捉される。その際に復調は、それぞれ実施形態に相応するように、周波数復調器または振幅復調器によって行われる。周波数復調器と振幅復調器との組み合わせは、さらに別の実施形態に相応する。アナログ信号からディジタル信号への変換は、選択される変換器もしくは復調器に応じて、変換もしくは復調の前または後に行われる。
【００４８】
変換および／または復調されたディジタル信号は、ディジタルデータ処理手段へ導かれる。そこにおいてそれらの信号は、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗のモデルをベースに試料磁化のスペクトル成分を求める手段によってさらに処理され、この手段はデータ処理装置に用意されている。他方、スペクトル成分（試料の本来のスペクトル線）は、共鳴エネルギー（たとえばランデ因子（ｇ因子／ｇテンソル）または試料とＢ０の共鳴周波数の比によって表現される）を求めるために用いられる。
【００４９】
以下では、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗のモデルについて、４つのセクションに分けて紹介する。
１．複素磁化率／複素透磁率
２．連続波条件のもとで試料磁化を操作および検出するためにＬＣ発振器を使用することについてのモデリングに関する従来技術
３．過渡条件のもとで試料磁化を操作および検出するためにＬＣ発振器を使用することについての本発明によるモデリング
４．ＬＣ発振器の発振周波数および振幅と、使用される誘導素子のインダクタンスおよび実効抵抗との関係
【００５０】
説明にあたりここで付言しておくと、発振器が作用を受けずに振動しているときに生じるＬＣ発振器の自由発振周波数ωｏｓｃ０と、試料磁化により作用が及ぼされる発振周波数ωｏｓｃ０，χとは、異なるものである。これに加え、発振周波数ωｏｓｃによる一般的なケースについても考察する。
【００５１】
１．複素磁化率／複素透磁率
線形の試料の内部のＢ１磁場と磁場強度Ｈ１とは、Ｂ１磁場の（試料に依存する）周波数が十分に低いときには、互いに比例している。これは、試料の実数値の相対的な透磁率μｒと磁化率χｍとに相応し、それらの関係はμｒ＝１＋χｍである。Ｂ１磁場の周波数がこれよりも高いときには、Ｂ１磁場と磁場強度Ｈ１との間で時差が生じる可能性がある。この時差は、正弦波状の経時的推移の特別なケースでは、
【数１７】
2019502105.tif 000019
に従い、試料の複素透磁率および複素磁化率として表現することができる。複素透磁率および複素磁化率についてはたとえば、N. BloembergenおよびR.V. Poundによる論文４（Radiation Damping in Magnetic Resonance Experiments, Physical Reviews, Vol 95 (1), 1954, P. 8-12）に詳しく記載されている。
【００５２】
２．連続波条件のもとで試料磁化を操作および検出するためにＬＣ発振器を使用することについてのモデリングに関する従来技術
T. YalcinおよびG. Boeroによる論文３には、連続波ＥＳＲ実験のためにＬＣ発振器を適用可能な方法が開示されている。この方法は、ＬＣ発振器のコイルを流れる電流によって、連続的な（連続波）マイクロ波磁場（Ｂ１）を生成し、この磁場に試料が晒される、ということに基づいている。この磁場（Ｂ１）によって試料磁化に作用が及ぼされ、このことをやはりＬＣ発振器において、周波数の変化として検出することができる。静磁場Ｂ０と、マイクロ波磁場Ｂ１と、スピンに基づく試料磁化Ｍｓとの関係は、スピンアンサンブルＭχの磁化の和として、
【数１８】
2019502105.tif 000020
であると紹介されており、ここでωｏｓｃ０は、自由発振周波数である磁場強度Ｈ１の周波数であり、ｔは時間である。発振器の自由発振周波数は、ラーモア周波数の励起条件のもとで、この周波数に相応しなければならず、もしくはこの周波数の近くになければならない。この場合、試料の複素磁化（上述の記載参照）が考慮され、これによれば、連続波励起のもとで、マイクロ波磁場強度Ｈ１がＨ１＝Ｂ１／μ０に従いスピンアンサンブルＭχの定常磁場と結合される。
【００５３】
３．過渡条件のもとで試料磁化を操作および検出するためにＬＣ発振器を使用することについての本発明によるモデリング
スピンアンサンブルＭχと静磁場Ｂ０とマイクロ波磁場Ｂ１との関係は、上述のとおり、ＬＣ発振器を使用した連続波ＥＳＲ実験を記述するために用いられるが、この関係のモデルは、磁化の定常状態のためにしか適用できない。このことは、以下のことから結論される。すなわち、このモデルは１つの指標のための記法に基づくものであり、または数学的に表現すると、フーリエ変換を用いた差分方程式の解に基づくものであり、これは区切られていない期間の正弦波状の励起についてのみ、非経時依存性の複素磁化率を、磁化の指標と磁場強度Ｈ１との商として導入できるのである。
【００５４】
この制約を解消して、試料磁化に基づく経時可変性の磁場（過渡磁場Ｂ１（ｔ，ｆ））が有する作用を記述する目的で、新たなモデルが導入される。このモデルは、直接的なＢ１磁場と試料磁化Ｍｓとを関連づけて、ＬＣ発振器のコイルの試料に依存する経時可変性のインダクタンスと、試料に依存する経時可変性の抵抗とするのである。当然ながらこの汎用的なアプローチは、定常的なマイクロ波励起の境界例も含む。
【００５５】
一般に、コイル内に電流が流れて磁場強度Ｈが生成され試料を貫通すると、試料における磁場Ｂは試料の材料特性に応じて、
【数１９】
2019502105.tif 000021
に従い生成される。ただし、
【数２０】
2019502105.tif 000022
は試料における磁化であり、χｍは試料の磁化率であり、μｒは試料の相対的透磁率である。
【００５６】
さらに一般的に知られているのは、
【数２１】
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に従い、磁場強度ＨおよびＢ磁場を体積単位あたりのエネルギー密度ｗｍと結合できる、ということである。
【００５７】
磁場強度Ｈを引き起こす電流の流れが経時可変性であるならば、磁気エネルギーの変化速度を
【数２２】
2019502105.tif 000024
に従い電力と結合することができる。ただし、Ｗｍ＝∫ｗｍｄＶは誘導コイルと結合された総磁気エネルギーであり、ｖ（ｔ）はコイルにおける電圧降下、ｉ（ｔ）は対応する電流の流れ、Ｌ（ｔ）はコイルにおける磁場と結合可能な経時可変性のインダクタンスである。その際にＲｓａｍｐｌｅ（ｔ）によって、試料磁化に起因して生じる可能性のある経時可変性の損失がモデリングされる。
【００５８】
（１．２）を（１．３）と組み合わせると、
【数２３】
2019502105.tif 000025
が得られる。ただし、
【数２４】
2019502105.tif 000026
は、体積に関する積分のための原点からの距離ベクトルである。
【００５９】
（試料における）Ｂ１磁場がコイル内に流れる電流により、
【数２５】
2019502105.tif 000027
に従い誘導されるものとすれば、ただし、
【数２６】
2019502105.tif 000028
はいわゆるユニタリ磁場、方程式（１．４）は以下のように書き換えられる。
【数２７】
2019502105.tif 000029
ただしＶｓ＝試料体積である。
【００６０】
この方程式の左辺と右辺の表現式を比較し、インダクタンスＬ（ｔ）を、コイルのインダクタンスの試料に依存しない表現式Ｌ０と、過渡磁場における試料の検出可能なインダクタンスについての試料に依存する表現式ΔＬｓａｍｐｌｅとの組み合わせによって、
Ｌ（ｔ）＝Ｌ０（ｔ）＋ΔＬｓａｍｐｌｅ（ｔ）に従い置換することで、Ｌ０，ΔＬｓａｍｐｌｅおよびＲｓａｍｐｌｅに関して以下の表現式が得られる。
【数２８】
2019502105.tif 000030
量Ｌ０を、コイルの幾何学的形状を介して直接求めてもよい。
【００６１】
方程式（１．６）から以下のことが結論される。すなわち、経時可変性の磁化の存在によって、試料においてインダクタンスの変化が引き起こされ、この変化は試料全体に関する上述の磁化の積分に比例し、これは、
【数２９】
2019502105.tif 000031
に従い、誘導コイルを流れる電流に合わせて正規化されており、１つの実施形態によればこれは項として、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに試料磁化のスペクトル成分を求める手段に含まれる。
【００６２】
方程式（１．７）を、論文３に示された連続波に関する結果と一致しているかについて調べる。連続的な励起（連続波励起）の境界例の場合、
【数３０】
2019502105.tif 000032
その結果、
【数３１】
2019502105.tif 000033
となる。連続波のケースでは、定常信号のみが検出され、このことからｉ２（ｔ）の経時可変性の成分が求められ、連続波実験における試料の検出可能なインダクタンスが、
【数３２】
2019502105.tif 000034
によって与えられる。
【００６３】
試料の体積全体にわたり一定である、試料の磁化率χ’の値に関して、この表現式を以下のように簡単化することができる。
【数３３】
2019502105.tif 000035
ただし、ηは、いわゆる曲線因子（試料体積とコイルの総体積との比に相応する）である。これは、論文３による結果と正確に一致する。
【００６４】
これに加え、試料によりコイルに及ぼされる作用のもとで生じる実効コイル抵抗は、
【数３４】
2019502105.tif 000036
のように変形される。
【００６５】
その結果、コイルのインダクタンスとは異なり、コイルにおける抵抗の変化は、コイル電流に合わせて正規化された、試料体積にわたる試料磁化の時間導関数の積分に比例する。
【００６６】
ここで留意されたいのは、方程式（１．７）および（１．９）中の
【数３５】
2019502105.tif 000037
の変調の結果としてただちに、試料に関連づけられたコイルのインダクタンス変化も、試料に関連づけられたコイルの抵抗変化も、周波数ωｏｓｃ０±ωｉにおけるスペクトル成分を含むようになる、ということである。ただしここで前提としたのは、試料磁化のスペクトル成分がωｉにあり、部分的に（すなわち時間的に区切られた）正弦波状の電流
【数３６】
2019502105.tif 000038
ただしｔ∈［ｔ１，ｔ２］、がコイルを流れる、ということであり、ここでωｏｓｃ０＝コイル電流（もしくは発振器）の周波数、ｔ１，ｔ２は任意の開始時点および終了時点である。
【数３７】
2019502105.tif 000039
中のＤＣ成分に属するスペクトル成分は、使用すべき周波数であり、
【数３８】
2019502105.tif 000040
中の変動成分から結果として生じた高周波成分は、望ましくないものである。
【００６７】
４．ＬＣ発振器の発振周波数および振幅と、使用される誘導素子のインダクタンスおよび実効抵抗との関係
以下では、コイルがＬＣ発振器の一部分である場合に、コイルのインダクタンスおよび実効抵抗の変化が、コイルの発振の周波数および振幅の変化とどのように関係しているのか、ということを示す。
【００６８】
高次の作用を無視すれば、発振器の周波数は、振動回路のインダクタンスＬ、そのキャパシタンスＣ、および振動回路の等価的なアドミタンス
【数３９】
2019502105.tif 000041
ただしＲｅｆｆ＝コイルの実効抵抗（一般的なケース）、および
【数４０】
2019502105.tif 000042
＝振動回路の共振周波数の関数として、
【数４１】
2019502105.tif 000043
に従って記述することができる。ただし、Ｇｍは、負の抵抗を生じさせるアクティブなトランジスタの勾配（相互コンダクタンス）であり、これは発振の安定化の役割を果たす。さらに方程式（１．１０）は、実際に使用可能ないかなるＬＣ発振器についても、ｆ（Ｌ，Ｃ，Ｇｔ，Ｇｍ）＜＜１である、ということから、簡単化されている。しかも、コイルの実効インダクタンスを、試料に依存するおよび依存しない成分（上述の記載も参照）Ｌｅｆｆ＝Ｌ０＋ΔＬｓａｍｐｌｅとして記述し、さらにたいていの実際の適用事例について成り立つように、ΔＬｓａｍｐｌｅ＜＜Ｌ０であることを前提とするならば、ＬＣ発振器のコイルの励起可能な領域において経時可変性の磁化を伴う試料を有する、ＬＣ発振器の周波数に関する近似関数が
【数４２】
2019502105.tif 000044
に従って設定される。
【００６９】
この近似関数を、第２の項の後で打ち切り、それよりも高次の項を無視可能な成分とすれば、
【数４３】
2019502105.tif 000045
が、試料のスペクトル成分をモデリングする項としてセットされる。１つの実施形態によればこの項は、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに試料磁化のスペクトル成分を求める手段に含まれる。
【００７０】
方程式（１．９）による試料に関連づけられたインダクタンスΔＬｓａｍｐｌｅは、コイルを流れる電流に合わせて正規化された試料磁化の積分に比例しているので、発振周波数は論理的に矛盾なく、方程式（１．９）において与えられた比例関係を包含している。このため、経時可変性の試料磁化を、ＬＣ発振器の発振周波数（ωｏｓｃ，χ）の瞬時の値の捕捉によって求めることができる。これに加えて、試料に関連づけられた成分のインダクタンスΔＬｓａｍｐｌｅの変化により引き起こされる、試料に属するインダクタンスのωｏｓｃ０±ωｉにおけるスペクトル成分によって、変調周波数ωｏｓｃ０±ωｉを有する発振器の周波数変調が引き起こされ、したがってωｏｓｃ０±（ωｏｓｃ０±ωｉ）において発振器の電圧におけるスペクトル成分が生成される。これらの成分は、慣用の周波数復調（ＦＭ、周波数変調）によって求めることができ、つまりは試料のインダクタンスΔＬｓａｍｐｌｅを特定することができる。次いでそこから、試料磁化もしくは対応するスペクトル成分および共鳴特性が特定される。
【００７１】
ＬＣ発振器の発振振幅は一般に、使用されるコイルの実効インダクタンスＬｅｆｆにも実効抵抗Ｒｅｆｆにも依存し、ただし抵抗の依存性の方が著しく強い。よって一般に、発振振幅Ａｏｓｃは
【数４４】
2019502105.tif 000046
として記述される。
【００７２】
スピンで誘導されたコイル抵抗の変化は、コイルのオーム抵抗Ｒ０に比べて一般に小さいので、方程式１．１２ａを、第２の項の後で打ち切られるテイラー級数を用い、高次の項を無視すれば、
【数４５】
2019502105.tif 000047
として書き換えられる。
【００７３】
方程式１．１２ｂは、試料のスペクトル成分をモデリングする項としてセットされ、別の実施形態によればこの項は、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに試料磁化のスペクトル成分を求める手段に含まれる。この方程式は使用される発振器に依存し、具体的に適用される事例に合わせて整合する必要がある。
【００７４】
ＬＣ−ＶＣＯのケースであれば、方程式１．１２ｂは、
【数４６】
2019502105.tif 000048
として具体的に表される。ただし、ｎ＝閾値以下領域における放出因子であり、ＩＢＩＡＳ＝発振器のＤＣ零入力電流（バイアス電流）である。
【００７５】
関数１．１２ｂは、たいていの実験条件においては、コイルのオーム抵抗Ｒ０は、試料により誘導されたコイル抵抗Ｒｓａｍｐｌｅ，ｔｏｔの変化よりも著しく大きい、という点に基づいて設定される。試料により誘導されたインダクタンスΔＬｓａｍｐｌｅの変化とは異なり、試料により誘導された抵抗Ｒｓａｍｐｌｅ，ｔｏｔの変化によって主として、コイル（すなわち発振器）の発振周波数の振幅の変調が生じる。振幅の変調は、ωｏｓｃ０±（ωｏｓｃ０±ωｉ）において発振器出力電圧のスペクトル成分を引き起こし、やはりこのスペクトル成分も、慣用の振幅復調（ＡＭ、振幅復調）によって求めることができ、ひいては磁化もしくは対応するスペクトル成分および共鳴特性も求めることができる。
【００７６】
したがって、慣用のＦＭ復調もしくはＡＭ復調に従って、ωｏｓｃ０±ωｉの周波数における磁化のスペクトル成分を検出することができ、発振周波数ωｏｓｃ０は既知であるので、これによって一義的かつ定量的に、周波数ωｉにおけるスペクトル成分に対応づけることができる。
【００７７】
この場合、ＦＭ復調およびＡＭ復調は、実施にあたり様々に複合的なものとなる可能性があるので、その際に検出器ハードウェアにおける相違が生じることになる。たとえばＬＣタンク発振器の場合であれば、固有のＡＭ復調とのノードが存在しており、このノードにおいてＡＭ復調を取り出すことができる。ＣＭＯＳ−ＬＣ発振器における振幅検出の基礎については、P. Kingetによる論文５（Amplitude detection inside CMOS LC oscillators, 2006 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Vol.1-11, Proceedings 2006, P. 5147-5150）に記載されている。ＦＭ復調のためには、たとえば位相制御ループ（アナログまたはディジタル）あるいはいわゆるティーガ−エネルギー演算子が使用される。
【００７８】
１つの実施形態に対応するように、両方のスペクトルの捕捉によって、固有の「ベースラインキャリブレーション」"Baseline Calibration"を行うことができる、という利点がもたらされ、つまり両方のスペクトル中に現れているスペクトル成分を、本当のものとして捉えることができ、これに対し他のすべてのものは、いわゆる測定アーチファクトである。
【００７９】
求められたスペクトル成分は、既述のように、共鳴エネルギーを特定するために用いられ、これはたとえば、ランデ因子（ｇ因子／ｇテンソル）、または試料の共鳴周波数と磁場Ｂ０との比、またはその過渡特性（たとえば緩和）によって表現される。それらの共鳴エネルギーは、それらをたとえばプロセスガイドまたは品質管理において使用する目的で、ならびに画像生成を行う磁気共鳴断層撮影法に使用する目的で、そのために適した手段を備えたデータ処理装置から出力される。
【００８０】
試料のスペクトル成分を求めるために用いられる本発明による装置から得られた信号を処理する、この新たなモデルによって初めて、試料の過渡磁化の作用に関するコイルの特性を、試料の特質決定に必要とされるスペクトル成分を提供できるように、分析することができる。さらにこれによってやはり初めて、送信ステーションおよび受信ステーションとして１つのＬＣ発振器を用いた、本明細書で呈示した本発明による解決手段に従い、パルスＥＳＲ実験またはパルスＮＭＲ実験の構造を縮小または微小化できるようになる。
【００８１】
しかも本発明によればこれと共に有利には、共振器を必要とせずに試料の過渡磁化を生成および検出する装置が提供される。したがって励起中もしくは過渡磁場の発生中に、試料磁化の検出が可能である。これによって、これまで実現不可能であった試料の過渡磁化測定の時間分解を伴うＥＳＲ実験およびＮＭＲ実験の可能性が開かれる。
【００８２】
過渡実験のために本発明による解決手段においてＬＣ発振器を使用することのさらに別の利点は、共振器ベースの検出と対比すると、送信装置と受信装置を分離するために、「デュプレクサ」または「サーキュレータ」が必要とされず、したがって構造のさらなる縮小および装置の簡略化が行われる。
【００８３】
この装置は、必要に応じて微小化可能である。なぜならば、必要とされるすべての構成要素を集積回路技術で実装できるからである。
【００８４】
これに加え、発振器の交流電流出力が、５０Ωの回路周辺部を介して流れることなく、コイルを介して流れる高周波（ＲＦ／マイクロ波）電流によって直接、望ましいＢ１磁場に変換される。これによって、ラーモア周波数において全体としていっそう僅かな電力しか生成しなくてよく、したがって電気エネルギーを節約することができる。
【００８５】
１つの実施形態によれば、第１および第２の経時依存性の波形が、データ処理装置（たとえばパーソナルコンピュータ）によって生成され、この場合、ＬＣ発振器にディジタル／アナログ変換器が前置接続されている。
【００８６】
別の実施形態によれば、第２の経時依存性の波形のためのディジタル／アナログ変換器は、ＬＣ発振器の電流源に組み込まれている。これによって、導線の寄生容量がいっそう僅かになり、したがってＢ１磁場の包絡線の変調にあたり、いっそう高い時間分解能を達成できるようになる。このような状況は、最適制御理論から導出されるいわゆる「最適制御パルス」のために重要である。最適制御理論によれば、スピン磁化をできるかぎり効率的に操作するために、どの包絡線および位相がＢ１磁場を有するべきであるのかを、数学的に計算することができる。
【００８７】
ＬＣ発振器の実装は、第３の実施形態によれば、ＬＣ−ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator 電圧制御型発振器）によって実現されている。ＬＣ−ＶＣＯを使用することによって、発振器の周波数および振幅を、ひいてはＢ１磁場の周波数および振幅も、独立して調整することができ、このことは実験条件の最適化のために有利である。
【００８８】
ＬＣ−ＶＣＯの回路装置は好ましくは、１つの実施形態に相応するように、以下のように実装されている。この場合、ＬＣ振動回路を形成するために、差動キャパシタンスダイオード（バラクタ）と差動インダクタンスとが用いられる。交差接続された２つのトランジスタは、２つのノード間の負の抵抗および非線形性によって、差動出力（すなわち出力電圧）における安定した発振を保証する。差動キャパシタンスダイオードによって、調整特性が保証される。たとえばＬＣ−ＶＣＯの電圧供給の操作によって、発振振幅の経時依存性の変化が具現化される。ＬＣ−ＶＣＯのこのような簡単な実装は、僅かな電力消費および僅かな所要スペースを保証するものであり、しかも（極低温に至るまでの）低い温度であっても動作する。
【００８９】
さらに別の実施形態によればＬＣ−ＶＣＯは、電圧制御型の電流源によって拡張されており、さらに次の実施形態によれば、電流源はディジタル電流制御装置として実現されている。付加的な電流源によって、Ｂ磁場の振幅の整合が可能となる。電流源を非可変の部分と可変の部分とに分割することにより、可変の部分の設計がいっそう容易になる。その理由は、電流供給の制御において望ましい分解能を得るために、（電流源制御の）ディジタルビット幅においていっそう低い分解能であればよくなるからである。
【００９０】
ＬＣ発振器に後置接続され、このＬＣ発振器の出力電圧を処理する直交チャネルを備えたダウンコンバージョンミキサも、ＬＣ発振器の１つの実施形態に対応する。直交検出によって、（短い緩和時間と結びついて）経時的に急速に変化する磁化成分に関する情報の損失が回避される。この場合、直交混合によって、試料を励起することなく共鳴周波数から十分に離れて隔たったＬＣ発振器の周波数を実現することができる。これによれば、試料の共鳴周波数がＬＣ発振器の周波数よりもいくらか高ければよく、もしくはそれどころかそれよりも低くてもよい。他方、このことによって電力が節約され、かつ試料の過渡磁化を生成および検出する装置を、２Ｔよりも上の著しく高いＢ０磁場で駆動できるように設計することができる。たとえば、ＬＣ発振器と共にモノリシックに集積されて収容されたミキサによって、電力消費の僅かなダウンコンバージョンミキサが実現される。その理由はたとえば、高周波の５０Ωバッファが必要とされないからである。
【００９１】
１つの実施形態によれば、２つの基準発振器を備えた位相制御ループが、ＬＣ−ＶＣＯに回路技術的に取り込まれている。これによって保証されるのは、ＥＳＲ実験またはＮＭＲ実験において一連の励起パルス（過渡磁場）を生じさせるときに、共鳴周波数とそこから隔たった周波数との間でのＬＣ−ＶＣＯの切替時に、相前後するパルスの位相情報が失われない、ということである。
【００９２】
ここで言及した実施形態は、回路技術的視点を考慮しながら制限されることなく組み合わせ可能である。
【００９３】
この装置を、ＬＣ発振器がＢ１磁場を生成する送信ステーションとしての機能のみで使用されるように、実装することもでき、この場合、試料磁化の検出は付加的な手段によって行われる。この付加的な手段を、別の発振器または共振器（誘導性）とすることができる。ただしこの検出を機械的に、電気的に、または光学的に行うこともできる。
【００９４】
試料の過渡磁化を生成および検出する本発明による方法は、請求項１１によれば、少なくとも以下で述べるステップを有する。
【００９５】
この方法を実施するためには、これまで述べてきたような請求項１から１０記載の本発明による装置がその要求を満たす。
【００９６】
磁気特性を求めたい試料が試料位置に置かれる。試料位置は、試料の過渡磁化を生成および検出する装置内にある場所であり、この場所において、静磁場または動磁場（勾配磁場）（Ｂ０）も印加されるし、必要に応じて過渡磁場（Ｂ１）も印加される。
【００９７】
予め規定された方向および強度の静磁場または動磁場が、試料位置に供給される。この磁場は、試料磁化に用いられる磁場Ｂ０に相応する。この場合、励起を行うＢ１磁場の周波数が共鳴条件に従い選択されるかぎり、この磁場を任意の強度のものとすることができる。
【００９８】
ＬＣ発振器によって、励起磁場Ｂ１に相応する過渡磁場が生成され、このＬＣ発振器の発振周波数は、ＬＣ発振器の誘導素子の値に依存する。この場合、ＬＣ発振器の配置は本発明によれば、試料もしくは試料位置がＬＣ発振器の近距離場に存在するように、選定されている。
【００９９】
ここで過渡磁場は、ＬＣ発振器における周波数の変化により生成される磁場であって、この変化は区切られた期間のものである。その際、変化の形状は制限されておらず、たとえばステップ状に、鋸歯状に、またはピークとして、発生させることができる。
【０１００】
過渡磁場の期間、個数および形状は、試料の要求および試料におけるスピンアンサンブルの望ましい操作に従って選定される。
【０１０１】
最も簡単なケースであれば、試料における磁化がθ＝９０°だけ傾斜させられるように（θ＝γ・Ｂ１・τｐｕｌｓ、τｐｕｌｓ＝共鳴Ｂ１磁場の印加期間、γ＝磁気回転比）、パルス長を試料に依存させて選定することができる。なぜならば、そのようにすれば横磁化が最大になるからであり、これも本発明によるＬＣ共振器によって検出される。
【０１０２】
この場合、Ｂ１磁場の強度は、サブナノ秒領域のτｐｕｌｓを有する９０°パルス長（θ＝９０°）を生成するために十分な大きさであり、これによって励起中に検出が可能であることと合わせて、短いＴ２緩和時間を有する試料について、いわゆるラビ振動もじかに測定することができる。その際、発振器給電電圧もしくは発振器零入力電流の適切な選定によって、ならびに周波数を決定するキャパシタンスに対する比としてコイルインダクタンスを適切に選定することによって、Ｂ１磁場の強度が調整される。
【０１０３】
このようにしてＬＣ発振器から生成される過渡磁場は、周波数および包絡線に関して少なくとも、Ｂ０磁場における試料の磁化をその平衡状態から偏位させる、という要求を満たすものである。
【０１０４】
試料の過渡磁化は、ＬＣ発振器のコイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗として、過渡磁場の前、間およびその後に、ＬＣ発振器の出力電圧を取り出すことにより捕捉される。試料磁化の変化によって、ＬＣ発振器の誘導素子において変化が引き起こされ、これはＬＣ発振器の発振周波数および／または発振振幅の変化として、ＬＣ発振器の出力電圧において検出することができる。この目的で、ＬＣ発振器の出力電圧が取り出され、場合によっては内部の電圧ノードにおいて直接、発振器の振幅復調信号が取り出される。
【０１０５】
発振周波数および／または発振振幅における変化は、ＬＣ発振器に後置接続された周波数復調器および振幅復調器によって捕捉される。アナログ信号からディジタル信号への変換は、選択される変換器もしくは復調器に応じて、変換もしくは復調の前または後に行われる。
【０１０６】
変換および／または復調されたディジタル信号は、ディジタルデータ処理へ導かれる。それらの信号はそこにおいて、格納されたコイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗のモデルにおいて、試料の本来のスペクトル線を求めるために処理される。
【０１０７】
このモデルは、本発明による装置に関してすでに上述の記載で紹介した、そこで言及したセクションによるモデルに相応する。すなわち、
１．複素磁化率／複素透磁率
３．過渡条件のもとで試料磁化を操作および検出するためにＬＣ発振器を使用することについての本発明によるモデリング
４．ＬＣ発振器の発振周波数および振幅と、使用される誘導素子のインダクタンスおよび実効抵抗との関係
【０１０８】
新たなモデルに応じて、慣用のＦＭ復調もしくはＡＭ復調に従って、ωＲＦ±ωｉの周波数における磁化のスペクトル成分を検出することができ、発振周波数は既知であるので、これによって一義的かつ定量的に、周波数ωｉにおけるスペクトル成分に対応づけることができる。
【０１０９】
両方のスペクトルの捕捉によって、固有の「ベースラインキャリブレーション」"Baseline Calibration"を行うことができる、という利点がもたらされ、つまり両方のスペクトル中に存在しているスペクトル成分を、本当のものと捉えることができる。これに対し他のすべてのものは、いわゆる測定アーチファクトである。
【０１１０】
求められたスペクトル成分は、共鳴エネルギーを特定するために用いられ、これはたとえば、ランデ因子（ｇ因子／ｇテンソル）、または試料と磁場Ｂ０の共鳴周波数の比、またはそれらの過渡特性（たとえば緩和）によって表現され、この共鳴エネルギーをたとえばプロセス処理または品質管理に用いる目的で、ならびに画像生成を行う磁気共鳴断層撮影法に使用する目的で、共鳴エネルギーがデータ処理装置から出力される。
【０１１１】
試料のスペクトル成分を求める本発明による方法から得られた信号を処理するための、この新たなモデルによって初めて、試料の過渡磁化の作用に関するコイルの特性を、試料の特質決定に必要とされるスペクトル成分を提供できるように、分析することができる。
【０１１２】
しかもこれと共に本発明による方法によれば有利には、励起中もしくは過渡磁場の発生中に試料磁化を検出するための信号を捕捉できるようにした、試料の過渡磁化を生成および検出する方法が提供される。これによって、従来では実現されなかった過渡磁場測定の時間分解を伴うＥＳＲ実験またはＮＭＲ実験が可能になる。
【０１１３】
次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】過渡磁化を生成および検出する装置を概略的に示す図である。
【図２】過渡磁化を生成および検出する装置において使用するためのＬＣ−ＶＣＯの構造を示す図である。
【図３】ＬＣ−ＶＣＯの制御電圧Ｖｔｕｎｅの経時的推移、およびその結果として生じたＬＣ−ＶＣＯの発振周波数ωｏｓｃの変化を示す図である。
【図４】ＬＣ−ＶＣＯの制御電圧Ｖｔｕｎｅの経時的推移、その結果として生じたＬＣ−ＶＣＯの振動回路の磁場Ｂ１における変化、その結果として生じた試料磁化Ｍｓの配向の変化、その結果として生じたＬＣ−ＶＣＯの振動回路の実効インダクタンスの変化ΔＬ、およびその結果として生じたＬＣ−ＶＣＯの発振周波数ωｏｓｃの変化を示す図である。
【図５】ＬＣ−ＶＣＯの励起パルス後の試料磁化Ｍｓ、小電流のＬＣ−ＶＣＯの発振周波数ωｏｓｃ、およびＬＣ−ＶＣＯの発振電圧Ｖｔｕｎｅについて、周波数スペクトルを示す図である。
【図６】ＬＣ−ＶＣＯに後置接続されたダウンコンバージョン周波数ミキサの構造を示す図である。
【図７】電圧制御型電流源により拡張された、過渡磁化を生成および検出する装置において使用するためのＬＣ−ＶＣＯの構造を示す図である。
【図８】ディジタル電流制御装置として実装された電圧制御型電流源により拡張された、過渡磁化を生成および検出する装置において使用するためのＬＣ−ＶＣＯの構造を示す図である。
【図９ａ】共鳴周波数を有する過渡磁場の発生中、電圧制御型ＬＣ−ＶＣＯのコイルにおいて電子スピンに起因して生じる試料磁化について、横磁化のｚ成分および包絡線のシミュレーションを示す図である。
【図９ｂ】過渡磁場の最後の３ナノ秒間のｘ成分、ｙ成分およびｚ成分のシミュレーションを示す図である。
【図１０】期間τ＝４．４３６ｎｓを有するパルス（約９０°のパルス）について、磁化Ｍｚ、および横磁化の包絡線の絶対値｜ＭＴ｜の推移のシミュレーションを示す図である。
【図１１】期間τ＝４．４３６ｎｓのパルス後の発振器出力電圧のスペクトル電力密度のシミュレーションを示す図である。
【図１２】ディジタル周波数復調およびローパスフィルタリング後の図１１のスペクトル（シミュレーション）を示す図である。
【図１３】振幅復調後の図１１のスペクトル（シミュレーション）を示す図である。
【図１４ａ】２つの基準発振器を有する位相制御ループに組み込まれたＬＣ−ＶＣＯを示す図である。
【図１４ｂ】４つの基準発振器を有する位相制御ループに組み込まれたＬＣ−ＶＣＯを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０１１５】
図１には、過渡磁化を生成および検出する本発明による装置の概略図が示されている。たとえば超電導磁石、任意の実装形態の電磁石、または永久磁石とすることができる磁石１０２は、試料１０４が配置されている試料位置で静磁場Ｂ０ １０１を生成する。磁場Ｂ０ １０１は試料１０４において、試料１０４の磁化率に応じて磁化を誘導する。ＬＣ発振器１０３は、過渡磁場Ｂ１を生成する。ＬＣ発振器１０３は、制御電圧Ｖ（ｔｕｎｅ，ωＯＳＣ）１０８として用いられ発振器１０３の周波数を決定する、経時依存性の波形と、ＬＣ発振器１０３の発振振幅を操作するために用いられる、第２の経時依存性の波形Ｖ（ｔｕｎｅ，ＡＯＳＣ）１０９と、によって制御される。ここではこれらの経時依存性の波形は、パーソナルコンピュータ／ディジタルデータ処理装置１０６によって供給され、ディジタル／アナログ変換器１０７／１１０によって変換される。ＬＣ発振器１０３の出力電圧Ｖ（ｏｓｃ，ｏｕｔ）１０５は、ＦＭ復調器およびＡＭ復調器１１１／１１３へ供給され、アナログ／ディジタル変換器１１２／１１４によって変換され、次いでデータ処理装置１０６へ転送され、このデータ処理装置１０６には、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに試料磁化のスペクトル成分を求める手段が用意されており、試料のスペクトル成分に関して求められた値が、適切な手段（図示せず）によってデータ処理装置１０６から出力される。したがってこの場合、データ処理装置によって２つの手段、すなわちＬＣ発振器の制御手段とディジタルデータ処理手段とが実現されており、これらの手段を別々に実装することもできる。
【０１１６】
図２には、過渡磁化を生成および検出する本発明による装置において使用するためのＬＣ−ＶＣＯの構造が示されており、これも１つの実施形態に対応している。ＬＣ振動回路を形成するために、差動キャパシタンスダイオード（バラクタ）２０２と差動インダクタンス２０４とが用いられる。交差接続された２つのトランジスタ２０１は、２つのノード２０５／２０６間の負の抵抗および非線形性によって、差動出力（すなわち出力電圧）における安定した発振を保証する。制御電圧２０３を用いることで、差動キャパシタンスダイオード２０２を介して調整特性が保証される。たとえばＬＣ−ＶＣＯの電圧供給の操作によって、発振振幅の経時依存性の変動が具現化される。発振振幅は、給電電圧２０７の変調によって実現される。ＬＣ−ＶＣＯのこのような簡単な実装は、僅かな電力消費および僅かな所要スペースを保証し、しかも（極低温に至るまでの）低い温度であっても動作する。
【０１１７】
図３には、経時依存性の波形の作用が示されており、この波形は、期間τｐｕｌｓ ３０４の電圧変化を含み、制御電圧としてＬＣ発振器へ供給される。制御電圧Ｖｔｕｎｅは、値Ｖｔｕｎｅ１ ３０２とＶｔｕｎｅ２ ３０３との間で相次いで切り替えられ、発振電圧についても、ＬＣ発振器のコイルを流れる電流についても、ＬＣ発振器の自由発振周波数ωｏｓｃ０において相応の変化を生じさせる。発振周波数は、値ωｏｓｃ１ ３０６とωｏｓｃ２ ３０７との間で、ほぼτｐｕｌｓの期間を伴って相次いで切り替えられる。自由発振周波数として、励起状態で試料により誘導された作用を伴わずに発振器が振動しているときの発振周波数が規定されている。
【０１１８】
図４の上方の２つの部分図に、期間τｐｕｌｓ ４０４の電圧変化を含むＬＣ発振器の制御電圧Ｖｔｕｎｅ、Ｖｔｕｎｅ１ ４０２およびＶｔｕｎｅ２ ４０３の経時的推移、それらの結果として生じたＬＣ発振器における振動回路の磁場Ｂ１（過渡磁場）の変化が示されている。結果として生じた試料磁化Ｍｓ ４１２、４０７および４０８の配向の変化が、その下の部分図に示されている。図４の２つの下方の部分図には、結果として生じたＬＣ発振器の振動回路の実効インダクタンスΔＬ ４０９、４１０および４１１の変化と、結果として生じたＬＣ発振器の発振周波数ωｏｓｃ ４０６、４１３および４１４の変化と、について、対応する推移が示されている。測定プロセスに関与するパラメータの表示は、これらの関係を具体的に表す目的で、１つの共通の時間軸に関連づけられている。しかもこれらに加えて、Ｂ０ ４０５の配向が示されている。Ｖｔｕｎｅ１ ４０２およびＶｔｕｎｅ２ ４０３は、期間τｐｕｌｓ ４０４の電圧変化を含む、経時依存性の波形により切り替えられる図３の制御電圧に対応している。ＬＣ発振器の振動回路の磁場Ｂ１における変化は、試料磁化Ｍｓ ４１２、４０７および４０８の変化を引き起こし、これはいわゆる"rotating frame of reference"（回転基準系）において表現されており、これはＢ０ ４０５から誘導され、そのために−γ・Ｂ０に対する"Rotating frame of reference"の回転速度が保証されている。試料磁化Ｍｓの変化は、発振周波数における対応する変化を介して検出され、この場合、試料磁化による作用がある場合に、発振は発振器周波数ωｏｓｃ，χ ４１３／４１４に対応する。
【０１１９】
期間τｐｕｌｓＥ ４０４を有する制御電圧における変化は、ＬＣ発振器のコイルにより生成される磁場Ｂ１の周波数において対応する変化を引き起こす。この場合、制御電圧Ｖｔｕｎｅ１ ４０２およびＶｔｕｎｅ２ ４０３は、制御電圧Ｖｔｕｎｅ１ ４０２が以下のような自由発振周波数４０６を引き起こすように選定されている。すなわちこの発振周波数４０６は、試料磁化と静磁場Ｂ０ ４０５とからもたらされる共鳴周波数に対し十分に大きな間隔を有する一方で、試料にいかなる励起も生じさせないものである。しかも制御電圧Ｖｔｕｎｅ２ ４０３は、期間τｐｕｌｓ ４０４中に励起を生じさせる目的で、共鳴周波数に相応する、もしくは共鳴周波数に十分に近いところにある周波数を生じさせる。試料磁化Ｍｓは、期間τｐｕｌｓ ４０４中の励起によって、Ｂ０磁場４０５の方向に沿ってそれらの平衡状態から傾き、ラーモア周波数で歳差運動を始める。新たなモデルの導入のセクション１で言及したように（発明が解決しようとする課題のあとの上述の記載を参照）、このことによって励起中、ＬＣ発振器のインダクタンスΔＬの相応の変化が生じる。この場合、発振周波数ωｏｓｃは、制御電圧の変化に対応する値だけ変化し、この値には、ΔＬの変化に起因する変化が重畳されており、したがってこれはωｏｓｃ，χ ４１３に対応する。励起後、試料磁化Ｍｓは引き続き磁場Ｂ０ ４０５の軸を中心に歳差運動し、緩和して平衡状態に戻る。その結果、励起後にもコイルのインダクタンスΔＬの変化が生じ、これによってＬＣ発振器の発振周波数ωｏｓｃ ４１４において相応の変化が引き起こされ、これはやはり試料磁化による作用がある場合に、発振器の周波数ωｏｓｃ，χに相応する。
【０１２０】
図５には、スピンに基づく試料磁化Ｍｓ、ＬＣ発振器のコイルのインダクタンスの対応する変化ΔＬｓａｍｐｌｅ、結果として生じた発振周波数ωｏｓｃ、および相応の制御電圧Ｖｔｕｎｅの周波数ｖｏｓｃについて、励起後のスペクトルが、図４のτｐｕｌｓ４０４後の期間に対応させて示されている。この表示は、これらの関係を具体的に表す目的で、１つの共通の周波数軸に関連づけられている。これらのスペクトルの表示は、以下の前提に基づいている。すなわち、スピンに基づく磁化が、３つの異なるｇ因子を有する３つの異なるスピンアンサンブルから構成されており、これによって、３つの異なるスペクトル線を有する歳差運動する磁化のスペクトルが、周波数ωＬ１，２，３ ５０２において引き起こされる、という前提に基づいている。周波数ωＬ１，２，３は、ここではラーモア周波数に相応する試料磁化のスペクトル成分の周波数ωｉと一致している。新たなモデルの導入のセクション１で言及したように（発明が解決しようとする課題のあとの上述の記載を参照）、歳差運動する試料磁化によって、ＬＣ発振器の実効インダクタンスの変化が誘導される。このインダクタンス変化は、ωｏｓｃ０±ωＬ１，２，３ ５０４／５０５による励起後の、歳差運動する磁化の周波数と自由発振周波数との和および差における周波数成分を有する。ωｏｓｃ０±ωＬ１，２，３による対応する発振周波数ωｏｓｃも、５０７／５０８として示されている。
【０１２１】
方程式（１．１１ａ）および（１．１１ｂ）（上述の記載を参照）に従い、試料に関連づけられた成分におけるコイルのインダクタンスの変化ΔＬｓａｍｐｌｅの結果として、コイルの発振周波数ωｏｓｃの近似的に比例する変化が生じる。したがって、この発振周波数ωｏｓｃのスペクトルは、試料の検出されたインダクタンス変化ΔＬｓａｍｐｌｅのスペクトルにおける周波数と同じ周波数において、スペクトル線を含んでいる。これらのスペクトル線は、自由発振周波数ωｏｓｃ０＝ωｏｓｃ（Ｖｔｕｎｅ１）における大きい中央のスペクトル線を中心に、グループ分けされている。試料磁化の結果として生じた比較的小さいスペクトル線は、ＬＣ発振器の対応する電圧の発振周波数ｖｏｓｃにおいて弱い変調を引き起こす。したがってｖｏｓｃのスペクトル中のスペクトル線は、
ωｏｓｃ０−（ωｏｓｃ０−ωＬｌ，２，３）＝ωＬ１，２，３ ５１０および
ωｏｓｃ０＋（ωｏｓｃ０−ωＬ１，２，３）＝２・ωｏｓｃ０−ωＬ１，２，３ ５１１
のところにある。
【０１２２】
捕捉すべき試料磁化と、実験条件と、試料励起後の自由発振周波数ωｏｓｃ０と、に依存して、ＬＣ発振器の電圧の発振のスペクトル成分は、直接的な復調を阻害するまたは非効率にするおそれのある周波数のところにある可能性がある。これに加えて、インダクタンス変化ΔＬｓａｍｐｌｅによるスペクトル成分は、自由発振器周波数の変調された周波数を生じさせる周波数のところに位置する可能性があり、それらの周波数は、自由発振周波数の１オクターブよりも低いところに隔たって位置しており、したがって試料磁化に関する情報を取得するためには、「単一サイクル復調」"single cycle Demodulation" つまりは電圧発振の搬送波周期の１つの振動内における復調を必要とする。電圧発振の着目しているスペクトル区間がディジタル化されていれば、単一サイクル復調をディジタルで簡単に実施することができる。よって、既存のアナログ／ディジタル変換器の帯域幅が制限されかつ分解能が制限されていることから、復調のためには電圧発振の中心周波数を、高められている可能性のあるωｏｓｃ１の値からそれよりも低い周波数へ、場合によっては予め低減しておく必要がある。これをたとえば、分周器または周波数ミキサによって実現することができる。その際にいかなる情報も損失しないことを保証する目的で、ＬＣ発振器６０１の出力電圧を処理するための直交チャネルを含むダウンコンバージョンミキサが、ＬＣ発振器６０１に後置接続されており、これは図６に示されており、１つの実施形態に対応するものである。直交チャネルを含むダウンコンバージョンミキサは、ＩチャネルおよびＱチャネルのミキサ６０２／６０３によって構成されており、これらのミキサは、基準発振器６０５の適切な周波数ωｖｃｏ２によって駆動され、そこからたとえば９０°移相器６０４によって、直交バージョンを生成することができる。その後、低減調整されフィルタリングされた電圧の発振周波数を、ディジタル表現で後続処理する目的で装置６１０のために、慣用のアナログ／ディジタル変換器６０８／６０９によってディジタル化することができる。アナログ／ディジタル変換の前に、いわゆるアンチエリアシングフィルタ６０６／６０７によって帯域幅が制限され、これによってエリアス効果に起因するアーチファクトがフィルタリング除去される。
【０１２３】
図７には、ＬＣ発振器のコイルの発振振幅の正確な制御を具現化するための実施形態に関する２つの例が示されており、この実施形態は、一定のバイアス電流７０７に対し並列に、電圧制御型電流源７０８を備えている。この実施形態によれば、ＬＣ発振器のコイルにおいて生成される過渡磁場の包絡線を、試料および実験の要求に従って最適化する目的で、ＬＣ発振器における発振の振幅の操作に用いられる経時依存性の波形が、電圧制御型電流源へ供給される。
【０１２４】
図８には、図７における電圧制御型電流源７０８を、高速電流モードのディジタル／アナログ変換器８０８（high-speed current mode digital-to-analog-converter）として、どのように効率的に具現化できるのか、が示されている。
【０１２５】
図９〜図１３には、試料の過渡磁化を生成および検出するための本発明による装置および本発明による方法の動作原理を説明する目的で、試料磁化のシミュレーションおよびこれに相応する信号が示されている。これらのシミュレーションは、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の前述の新たなモデルに基づいており、このモデルは、試料の本来のスペクトル線を特定するために用いられ、その際、それらの信号は、本発明による試料による実験から、または本発明による方法に由来するものである。この場合、試料磁化は、相応の２つの異なるｇ因子を伴う２つの異なるスピンアンサンブルに基づいている。これらのシミュレーションは、過渡磁場の存在（励起）中の期間についても、励起後の期間についても、計算されている。ここでパラメータは、以下のとおりであることを前提とする。すなわち、第１のスピンアンサンブルのｇ因子ｇ１＝２、第２のスピンアンサンブルのｇ因子ｇ２＝２．０２５、第１のスピンアンサンブルの平衡磁化（Ｍｓ０）Ｍｓ０ｇ１＝７．３Ａ／ｍ、第２のスピンアンサンブルの平衡磁化Ｍｓ０ｇ２＝８．１Ａ／ｍ、両方のスピンアンサンブルの緩和時間Ｔ１＝Ｔ２＝１０μｓ、静磁場Ｂ０＝０．３５Ｔ、自由発振周波数ωｏｓｃ０＝２１．７４ＧＨｚ、さらに励起中の発振周波数ωｏｓｃ２＝９．５６ＧＨｚ。
【０１２６】
図９ａ）には、図３に示したような矩形パルス（４０ｎｓ）の形態の経時依存性の波形が、本発明によるＬＣ発振器に供給され、試料が試料位置に配置されている期間中の、試料の縦磁化Ｍｚの推移（細線）と、試料の横成分（ＭｘおよびＭｙ）の包絡線｜ＭＴ｜の推移（太線）と、が示されている（シミュレーション）。この場合、矩形パルスは以下のように選定されている。すなわち、矩形パルスよりも前にＬＣ発振器のコイルに存在しているコイルの自由発振周波数が、試料の共鳴周波数から十分に離れて隔たって位置するようにして、試料磁化に作用が及ぼされないように、選定されている。しかもこの周波数は、矩形パルス中は試料の共鳴周波数に相応し、またはおおよそ、試料磁化に作用を及ぼすような大きさである。さらにこの場合、励起期間（矩形パルスの期間）は、複数のラビ振動を観察できるようにして、試料磁化の最終的なベクトルが、検出される横磁化に相応するように、選定されている。図９ｂ）には、励起の最後の３ナノ秒間の成分Ｍｘの推移（・・・）と、Ｍｙの推移（−−）と、Ｍｚの推移（−）と、が示されている。
【０１２７】
図１０には、期間τ＝４．４３６ｎｓを有するパルス（約９０°のパルス）について、磁化Ｍｚの推移（細線）と、横磁化の包絡線の絶対値｜ＭＴ｜の推移（太線）と、のシミュレーションが示されている。
【０１２８】
図１１に、図１０に対応する、期間τ＝４．４３６ｎｓのパルス後の発振器出力電圧のスペクトル電力密度（ＰＳＤ，power spectral density）のシミュレートされたスペクトルが示されている。
【０１２９】
図１２および図１３には、図１１の結果として生じた対応するＦＭ復調およびＡＭ復調された信号が示されている。
【０１３０】
図１２および図１３によるパルス励起および復調の後の周波数は、信号として読み取り可能であり（さらにデータ処理のために転送され）、自由発振周波数ωｏｓｃ０／２π＝２１．７６ＧＨｚと、試料のｇ因子ｇ１＝２およびｇ２＝２．０２５と、に基づいており、これらの結果としてラーモア周波数が、ωＬ１／２π＝９．７９７４ＧＨｚおよびωＬ２／２π＝９．９１９８ＧＨｚになるが、パルス励起および復調の後のこれらの周波数は、復調（ωｏｓｃ０−ωＬ１）／２π＝１１．４７８６ＧＨｚおよび（ωｏｓｃ０−ωＬ２）／２π＝１１．３５６２ＧＨｚに従い、スペクトル成分（両方のラーモア周波数の算術平均による励起）に正確に一致する。
【０１３１】
図１４のａ）およびｂ）には、位相制御ループ１４０２内に組み込まれた本発明によるＬＣ−ＶＣＯ１４０１が示されている。位相制御ループ１４０２によって保証されるのは、ＥＳＲ実験またはＮＭＲ実験において一連の励起パルス（過渡磁場）を生じさせるときに、共鳴周波数付近または共鳴周波数に等しい励起周波数と、そこから隔たった周波数と、の間で、ＬＣ−ＶＣＯ１４０１が切り替えられている間に、相前後するパルスの位相情報が失われない、ということである。また、基準周波数ωｒｅｆ１４０４を２つの異なるソース（発振器１４０５、１４０６）から選択できるようにすることで、位相コヒーレンスが保証され、この基準周波数ωｒｅｆは、周波数ωｒｅｓ／Ｎもしくはωｏｆｆ／Ｎのところで連続的に発生する。ただしＮ＝位相制御ループ１４０２の分周係数であり、ωｒｅｓは、共鳴周波数付近または共鳴周波数と等しい周波数であり、ωｏｆｆは、共鳴周波数から隔たった周波数である。適切なマルチプレクサ１４０７を用いて、これら両方の周波数の間の選択が行われる。位相制御ループ１４０２の基準周波数１４０４が、ωｏｆｆ／Ｎとωｒｅｓ／Ｎとの間で切り替えられると、位相制御ループ１４０２内のＬＣ−ＶＣＯ１４０１の周波数が、位相制御ループ１４０２内の負のフィードバックにより、ωｏｆｆとωｒｅｓとの間で相応に切り替えられる。ソースとして用いられる発振器１４０５／１４０６は、同じ周波数のところで連続的に動作するので、つまりこれらの発振器は周波数を変化させないので、それらの周波数がＬＣ−ＶＣＯに供給される２つの期間の間でそれらの位相も変化せず、このことはωｒｅｓの期間について特に重要である。位相制御ループ１４０２はこのループの負のフィードバック構造を介して、ＶＣＯ１４０１の位相を基準発振器の位相を用いて補償調整するので、（短期間の過渡振動プロセスを無視すれば）、一連の励起パルスがそれらの位相に関してコヒーレントである、ということが保証される。しかも、一連の励起パルスとそれぞれ異なるパルスシーケンスの相前後するコヒーレントな切替（phase cycling）を保証する目的で、図１４のａ）による回路を図１４のｂ）に拡張することができる。拡張された回路には、基準周波数のための２つの付加的なソース１５０５／１５０６が追加されており、これらは図１４のａ）によるソースに対し９０°の位相差で動作する。したがって、回転座標系（rotating frame of reference）のｘ’方向およびｙ’方向における励起が可能となる。しかもこの回路は、相応の位相差を有する基準周波数のためにさらに別のソースを追加することで、さらに別の方向の励起が可能となるように拡張することができる。直接、周波数復調された信号を取り出し可能な出力端１４０３が、付加的に設けられている。
【符号の説明】
【０１３２】
Ａｏｓｃ  ＬＣ発振器の発振振幅
Ｂ  磁場
Ｂ０  静的に均質な、静的に非均質な、または動的な（パルス化された非均質な）磁場
Ｂ１  付加的な高周波の交番電磁場／磁場、これは励起のために使用され、特性上時間的に区切られた過渡磁場として存在させることができる。
【数４７】
2019502105.tif 000049
ユニタリ磁場
Ｃ  キャパシタンス
【数４８】
2019502105.tif 000050
Ｂ０磁場の方向における単位ベクトル
Ｅ１  電場
Ｇｍ  発振安定化として用いられる負の抵抗を生じさせるアクティブなトランジスタの勾配（相互コンダクタンス）
Ｇｔ  振動回路のアドミタンス
ｈ  プランク定数
Ｈ１  磁場強度
ｉ（ｔ）  ｖ（ｔ）に相応する電流の流れ
ＩＢＩＡＳ  発振器のＤＣ零入力電流（バイアス電流）
Ｊ  電流密度
【数４９】
2019502105.tif 000051
軌道角運動量
Ｌ０  試料には依存しないコイルのインダクタンスの項、コイルの幾何学的形状により定まる
Ｌｅｆｆ  実効インダクタンス
Ｌ（ｔ）  コイルにおいて磁場と結合された経時可変性のインダクタンス
ΔＬｓａｍｐｌｅ（ｔ）  過渡磁場における試料の検出可能なインダクタンス変化
ΔＬｓａｍｐｌｅ，ＣＷ（ｔ）  連続波実験における試料の検出可能なインダクタンス変化
【数５０】
2019502105.tif 000052
巨視的磁化、試料磁化
Ｍｓ  スピンに基づく磁化
Ｍｓ｜｜  Ｂ０に関連づけられたスピンに基づく縦磁化
Ｍｓ┴  Ｂ０に関連づけられたスピンに基づく横磁化
Ｍｓ０  スピンに基づく磁化の平衡状態
Ｍχ  スピンアンサンブルの磁化
ｎ  閾値以下領域における放出因子
Ｐ  電力
ｒ  体積に関する積分のための原点からの距離ベクトル
Ｒ０  コイルのオーム抵抗
Ｒｅｆｆ  コイルの実効抵抗
Ｒｓａｍｐｌｅ，ｔｏｔ  試料によって誘導されたコイル抵抗
Ｒｓａｍｐｌｅ（ｔ）  試料磁化に起因する経時可変性のコイルにおける損失
ｔ  時間
Ｔ１  緩和時間
Ｔ２  スピン−スピン緩和時間
ｖ（ｔ）  コイルを介した電圧損失
Ｖ  体積
Ｖｓ  試料体積
ｗｍ  体積単位あたりのエネルギー密度
Ｗｍ  誘導コイルと結合された総磁気エネルギー
γ  磁気回転比
ε０  電場定数
η  曲線因子
θ  磁化のフリップ角
【数５１】
2019502105.tif 000053
磁気双極子モーメント
μＢ  ボーア磁子
μｒ  試料の相対的透磁率
μ０  磁場定数
【数５２】
2019502105.tif 000054
回転モーメント
τｐｕｌｓ  共鳴Ｂ１磁場（過渡磁場、励起磁場、パルス）の印加期間
ω  角周波数
ωｏｓｃ  発振器周波数
ωｏｓｃ０  自由発振器周波数＝磁場強度Ｈ１の周波数
ωｏｓｃχ  試料磁化による作用があるときの発振器周波数
ωＬ  ラーモア周波数
ωＬＣ  振動回路の共振周波数
ωｉ  試料磁化のスペクトル成分の周波数
χｍ  磁化率
ＣＭＯＳ  Complementary metal-oxide-semiconductor（相補型金属酸化膜半導体）
ＥＳＲ  電子スピン共鳴分光法
ＮＭＲ  核スピン共鳴分光法
ＶＣＯ  Voltage Controlled Oscillator  電圧制御型発振器
【図１】
2019502105.tif 000062
【図２】
2019502105.tif 000063
【図３】
2019502105.tif 000064
【図４】
2019502105.tif 000065
【図５】
2019502105.tif 000066
【図６】
2019502105.tif 000067
【図７】
2019502105.tif 000068
【図８】
2019502105.tif 000069
【図９ａ）】
2019502105.tif 000070
【図９ｂ）】
2019502105.tif 000071
【図１０】
2019502105.tif 000072
【図１１】
2019502105.tif 000073
【図１２】
2019502105.tif 000074
【図１３】
2019502105.tif 000075
【図１４ａ）】
2019502105.tif 000076
【図１４ｂ）】
2019502105.tif 000077
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月26日(2018.7.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料（１０４）の過渡磁化を生成および検出する装置であって、
前記装置は少なくとも、試料位置に予め規定された方向および強度の静磁場（１０１，４０５）を供給する手段（１０２）と、前記試料位置に過渡磁場を供給する送信装置と、前記試料位置において前記試料（１０４）の過渡磁化を検出する受信装置と、を有しており、
ＬＣ発振器（１０３，６０１）が、前記送信装置も前記受信装置も形成しており、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の発振周波数は、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の誘導素子の値に依存しており、
前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の制御手段（１０６）が接続されており、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）と前記制御手段（１０６）とにより過渡磁場を生成可能であり、前記過渡磁場は、試料の磁化を平衡状態から偏位させることができ、前記過渡磁場の期間をサブナノ秒領域に制限可能であり、前記試料位置は、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の近距離場にあり、
出力電圧を処理するため、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）に少なくとも、変調手段（１１１，１１３）およびアナログ／ディジタル変換器（１１２，１１４）、次いでディジタルデータ処理手段（１０６）が後置接続されており、
前記ディジタルデータ処理手段（１０６）内に、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の出力電圧の周波数または振幅に少なくとも基づき、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに前記試料の磁化のスペクトル成分を求める手段が用意されており、さらに、
前記スペクトル成分を出力する手段が設けられている、
装置。
【請求項２】
少なくとも１つの前記変調手段（１１１，１１３）は、周波数復調器であり、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに前記試料の磁化のスペクトル成分を求める前記手段は、項
【数１】
2019502105.tif 000078
を含み、ただしΔＬｓａｍｐｌｅ（ｔ）＝前記過渡磁場内の前記試料の検出可能なインダクタンス、Ｖｓ＝試料体積、
【数２】
2019502105.tif 000079
＝励起磁場、
【数３】
2019502105.tif 000080
＝前記体積に関する積分のための原点からの距離ベクトル、
【数４】
2019502105.tif 000081
＝前記試料の磁化、ｉ（ｔ）＝コイルを介した電圧損失に相応する電流の流れ、ｔ＝時間である、
請求項１記載の装置。
【請求項３】
少なくとも１つの前記変調手段（１１１，１１３）は、振幅復調器であり、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに前記試料の磁化のスペクトル成分を求める前記手段は、項
【数５】
2019502105.tif 000082
を含み、ただしＡｏｓｃ＝前記ＬＣ発振器の発振振幅、Ｒｅｆｆ＝前記コイルの実効抵抗、Ｒ０＝コイルのオーム抵抗、Ｒｓａｍｐｌｅ，ｔｏｔ＝前記試料により誘導された前記コイルの抵抗である、
請求項１記載の装置。
【請求項４】
変調手段（１１１，１１３）は、周波数復調器と振幅復調器とを含み、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルをベースに前記試料の磁化のスペクトル成分を求める前記手段は、項
【数６】
2019502105.tif 000083
を含む、
請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の前記制御手段は、データ処理装置（１０６）であり、前記データ処理装置（１０６）は、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の制御電圧である第１の経時依存性の波形および前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の前記過渡磁化の包絡線を調整するための第２の経時依存性の波形（１０８，１０９）を生成し、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）にディジタル／アナログ変換器（１０７，１１０）が前置接続されている、
請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記第２の経時依存性の波形のための前記ディジタル／アナログ変換器（１０７，１１０）は、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の電流源に組み込まれている、
請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）は、ＬＣ−ＶＣＯ（１４０１）である、
請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
前記ＬＣ−ＶＣＯ（１４０１）の回路装置は、少なくとも、ＬＣ振動回路を形成する差動キャパシタンスダイオード（２０２）および差動インダクタンス（２０４）と、２つの交差接続されたトランジスタ（２０１）と、制御電圧のための入力端（２０３）と、給電電圧のための第２の入力端（２０７）と、アースと、出力電圧を取り出し可能な２つのノード（２０５，２０６）と、を有する、
請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記ＬＣ−ＶＣＯは、電圧制御型電流源（７０８）によって拡張されている、
請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記電圧制御型電流源は、ディジタル電流制御装置（８０８）として構成されている、
請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記ＬＣ−ＶＣＯ（１４０１）は、２つの基準発振器（１４０５，１４０６）を備えた位相制御回路内に組み込まれている、
請求項７から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）の出力電圧を処理する直交チャネル（６０２，６０３）を備えたダウンコンバージョンミキサが、前記ＬＣ発振器（１０３，６０１）に後置接続されている、
請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
試料の過渡磁化を生成および検出する方法であって、前記方法は少なくとも以下のステップを有する、すなわち、
ａ．試料位置に試料を配置するステップと、
ｂ．前記試料位置に予め規定された方向および強度の静磁場を供給するステップと、
ｃ．ＬＣ発振器により過渡磁場を生成するステップと、ただし前記ＬＣ発振器の発振周波数は、前記ＬＣ発振器の誘導素子の値に依存し、ここで、
前記試料位置は、前記ＬＣ発振器の近距離場にあり、
前記過渡磁場は、前記試料の磁化を平衡状態から偏位させる、という要求を満たすものであり、
前記過渡磁場の期間は、サブナノ秒領域にまで制限可能であり、
ｄ．前記過渡磁場の前、前記過渡磁場の間、および前記過渡磁場に続いて、前記ＬＣ発振器の出力電圧を取り出すステップと、
ｅ．前記出力電圧の周波数および振幅の経時依存性の変化を復調し、前記出力電圧を予め規定された順序でディジタル化して、ディジタルデータ処理手段に伝達するステップと、
ｆ．検出された周波数または振幅を、コイルの過渡インダクタンスおよび過渡抵抗の物理的モデルに入力するステップと、
ここで前記物理的モデルへの入力に応じて、
発振器出力電圧の周波数から、
【数７】
2019502105.tif 000084
により前記試料のスペクトル成分を求め、ただしΔＬｓａｍｐｌｅ（ｔ）＝前記過渡磁場内の前記試料の検出可能なインダクタンス、Ｖｓ＝試料体積、
【数８】
2019502105.tif 000085
＝励起磁場、
【数９】
2019502105.tif 000086
＝前記体積に関する積分のための原点からの距離ベクトル、
【数１０】
2019502105.tif 000087
＝前記試料の磁化、ｉ（ｔ）＝コイルを介した電圧損失に相応する電流の流れ、ｔ＝時間であり、
または前記物理的モデルへの入力に応じて、
前記発振器出力電圧の振幅Ａｏｓｃ
【数１１】
2019502105.tif 000088
から試料のスペクトル成分を求め、ただしＲｅｆｆ＝コイルの実効抵抗、Ｒ０＝コイルのオーム抵抗、Ｒｓａｍｐｌｅ，ｔｏｔ＝前記試料により誘導された前記コイルの抵抗であり、さらに、
ｇ．前記スペクトル成分を後続処理のために出力するステップと、
を有する方法。
【国際調査報告】
2019502105.tif 000089
2019502105.tif 000090
2019502105.tif 000091
2019502105.tif 000092